高潜水位矿区不同充填材料复垦土壤有机碳空间分布与影响因素研究 ——以济宁矿区为例

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高潜水位地区地下煤炭开采会造成严重的地表沉陷,从而导致土壤结构发生不可逆的变化,在这一变化过程中土壤养分、土壤碳库及酶活性都会受到影响。近几年来,充填复垦作为一种复垦方式被广泛应用于采煤塌陷地的治理当中,充填复垦能有效提高土壤碳库储量、酶活性及养分含量,但使用不同充填材料复垦时土壤碳库储量、土壤酶活性及土壤养分的空间分布和恢复效果却有着显著差异。为比较何种充填材料复垦对矿区土壤有机碳恢复更为有效,本文以济宁黄河沙充填、客土充填、湖泥充填、煤矸石充填耕地为研究对象,通过现场采集复垦地及其旁边正常耕地0-20 cm、20-40cm、40-60 cm土样和室内化验指标,研究土壤有机碳组分、酶活性及养分在不同充填复垦土壤中的空间分布特征和恢复情况。结果表明:(1)复垦土壤总有机碳组分具有明显的表聚性,除0-20 cm湖泥充填的复垦地外,其它充填材料复垦各土层SOC含量均不同程度小于其对照耕地,四种充填复垦土壤SOC的恢复效果:湖泥充填>客土充填>黄河沙充填>煤矸石充填。(2)不同充填复垦土壤有机碳组分的比重在不同土层差异明显(P<0.01),HAC在0-20 cm所占比重最大,DOC在20-60 cm所占比重最大,MBC在所有土层比重都为最小。各有机碳组分与SOC之间均表现为极显著相关,其中EOC与HAC极显著相关,LFC和POC极显著相关;TOC、MBC、EOC、HAC、DOC与土壤容重呈极显著负相关(P<0.01)。另外,通过对各有机碳组分敏感性分析,得到MBC对湖泥充填最敏感,EOC和DOC对客土充填最敏感,LFC和POC对煤矸石充填最敏感,HAC对黄河沙充填最敏感。(3)复垦地土壤酶活性受不同充填复垦材料影响在不同土层深度表现出不同的变化规律:黄河沙充填复垦地脲酶含量体现出较好的“表聚性”,而客土、湖泥和煤矸石充填复垦地脲酶含量随土层加深呈先降低后升高的“V”字形变化趋势;土壤脲酶在表层恢复较果较好,其中黄河沙、客土和煤矸石充填的土壤脲酶活性在0-40 cm土层均恢复乃至超过其对照地,在40-60 cm煤矸石充填土壤脲酶活性恢复效果最好,超出其对照地34.21%,黄河沙充填复垦地恢复效果最差。四种充填材料复垦土壤过氧化氢酶活性受含水量影响在0-60 cm恢复效果较差,在0-20 cm均不同程度小于其对照地,除黄河沙和煤矸石充填在40-60 cm土壤过氧化氢酶活性恢复超过其对照地外,其它充填材料复垦土壤过氧化氢酶活性均没达到其对照地水平。复垦地土壤蔗糖酶活性反映土壤有机碳的积累和转化情况,客土和湖泥充填复垦地蔗糖活性在表层和填充层均恢复超过其对照耕地,而黄河沙和煤矸石充填蔗糖酶含量恢复效果较差。(4)复垦土壤养分含量、酶活性同土壤有机碳及其部分组分研究结果一致,除过氧化氢酶外,脲酶和蔗糖酶活性与土壤AN、AP均具有高度相关性;土壤SOC、DOC、MBC、ROOC和HAC与AN、AP、脲酶和蔗糖酶均呈极显著正相关,说明酶活性大小能反映土壤养分转化的强弱,并在一定程度上影响土壤有机碳及其组分的积累,三者之间存在一定的相关性,关系密切且相互影响,是一个动态循环促进的过程。(5)通过对不同充填材料复垦土壤有机碳各组分含量变化特征分析发现,黄河沙充填复垦有助于HAC含量的恢复,但对其他碳组分的恢复效果较差;客土和湖泥充填对6种碳组分恢复均有助力;除MBC外,煤矸石充填复垦对其它碳组分恢复效果并不明显,但对40-60 cm土层LFC和POC恢复有较为明显的促进作用。(6)综上比较得出四种充填材料复垦对土壤有机碳及其组分的恢复效果:湖泥充填>客土充填>黄河沙充填>煤矸石充填,建议在该地区进行充填复垦时优先选用湖泥作为充填材料。
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